磁路计算 参数计算 性能计算
２.２ 电机的主要尺寸与参数之间的关系
1、主要尺寸
直流电机：转子外径Da
电枢直径D（m） 交流电机：定子内径D1 电枢的计算长度lef （m）
2.电机主要尺寸和额定功率及转速间的关系
1）交流电机
交流电机的计算功率为
P mEI 103 KVA
式中 m——电枢绕组的相数
Ea
pn 60
•
Na a
(V )
式中Na——电枢绕组的总导体数； a——电枢绕组的并联支路对数
因电负荷
A Ia Na ( A / m)
2aD
Ia
2 AaD
Na
可得直流电机主要尺寸关系式为：
D2lef P
n
6.1103
p AB
交流电机主要尺寸关系式
D 2le f P
n
6.1103
p
K
wm
K
dp
第二章电机设计的相关知识
2.1电机设计的任务与过程 2.2电机的主要尺寸 2.3 电机中的几何相似定律概述 2.4 电磁负荷的选择 2.5电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸
的一般方法
2.1电机设计的任务与过程
1.电机设计的任务 是根据用户提出的产品规格(如功率、电压、 转速等)、技术要求(如效率、参数、温升限 度、机械可靠性要求等)，结合技术经济方 面国家的方针政策和生产实际情况运用有关 的理论和计算方法，正确处理设计时遇到的 各种矛盾从而设计出性能好、体积小、结构 简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先 进产品。
通常，首先根据技术条件或技术任务书(技术建议 书)中规定的防护型式、安装方式与冷却方式，再 考虑电磁计算中所选负荷的高低，来选取合适的通 风冷却系统；然后安排产品的总体结构绘制总装配 草图。最后分别绘制部件的分装配图和零件图。
２．２电机的主要参数之间的关系
２．２．１ 电机电磁设计流程
开始 确定主要尺寸
AJ(W
/ m2)
在ρ与J一定时，电负荷A↑→ qa↑
当绕组选用的材料一定(即ρ一定)时，qa与AJ成正比。由于qa直接影响 到电机的发热和温升，因此，电机的温升也与AJ的大小密切有关。在 其他条件不变时，为了避免电机温升过高， A与J的乘积就不能超过— 一定限度。J若选择得较大， A就相应要选小些，但这会使绕组用料增 加。
所谓几何形状相似是指电机对应的尺寸间具 有相同的比值。
例如：若电机A和B几何相似
DA lA hSA bSA DB lB hSB bSB
其中hs、bS分别为槽高和槽宽。
电机的计算功率与电枢电势E和电流I的乘积成正比，即
P, EI
在频率或转速一定时，E和电枢绕组的串联匝数W及磁通Φ成正比，即
这一定律可用来大体上估计与已制成电机几何形状相似，但功率不同的电
机的质量、成本或损耗；也可用来分析通常是几何形状相似的系列中各规 格电机之间的相应关系。
必须指出，上述几何相似定律和其他一些关系式都是十 分近似的。在实际情形下，它们所反映出来的关系常会 因其它条件限制而不得不放弃或被破坏。例如，电机的 损耗是与长度因次的立方成正比，但冷却表面却正比于 长度因次的平方。为了保证电机温升不超过允许值，随 着电机功率的增加，就必须设法改变冷却系统或冷却方 式等，从而放弃它们几何形状的相似。
1 2T
P
K A CA 60D2lef D2lef n
KA表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩，它的大小反映了电机有 效材料的利用程度，通常称为利用系数。在进行设计方案比较时， KA 往往也是一重要的比较指标。随着电机制造水平的提高，材料质量的改
进，利用系数将不断增大。
材料的利用还可按照作用于电枢圆周单位表面上的平均切向力（转切应力） 来判断：
m(2W )Rcef I 2
m(2W )
l Sc
I2
2mWIl
J (W )
Rcef——每根导体有效部分的电阻(欧） ρ——导体材料的电阻率(欧·米)， l——导体有效部分的长度(m)： Sc——导体截面积(m2)； J——导体电流密度(A／m)。
电枢单位表面的铜(铝）耗为：
qa
pcat
Dl
2WmIlJ Dl
Cef P'
p P'3/ 4 P' P'
1 P'1/ 4
几何相似定律
它表明，在B和J的数值保持不变时，对一系列功率递增、几何形状相似的 电机，每单位功率(千瓦或千伏安)所需有效材料的质量、成本及产生的损 耗均与功率的1／4次方成反比， 单机容量的↑→有效材料的利用率和电机的效率↑ 采用大功率电机来代替总功率相等的数台小功率电机
2.4 电磁负荷的选择
正常电机中系数αp´ 、Kwm、Kdp实际上变化不大， 因此在计算功率P’与转速n一定时电机的主要尺寸 决定于电磁负荷A、Bδ。
电磁负荷愈高，电机的尺寸将愈小，质量就越轻， 成本也越低。这就是在可能情况下，一般总希望选 取较高的J和Bδ值的原因。但电磁负荷值的选取与 许多因素有关，不但影响电机有效材料的耗用量， 而且对电机的参数、起动和运行性能、可靠性等都 有重要影响。
对异步电机通常给定(1)一(5)，同步电机给定(1)一(6)，直流电机给定(1)、 (2)、 (5)。
3.电机设计的过程和内容简介
(一)准备阶段 熟悉国家标准，收集相近电机的产品样
本(或样机)和技术资料(包括试验数据)，并 听取生产和使用单位的意见与要求；然后在 国家标准有关规定及分析相应资料的基础上， 编制技术任务书或技术建议书。
A
B
直流电机主要尺寸关系式为：
D2lef n P
6.1103
p AB
直流电机
Kwm Kdp 1
令：
D2lef n P
6.1103
p
K
wm
K
dp
AB
CA
电机常数
由于对一定功率和转速范围的电机，A、Bδ的变动范围不大，而αp´ 、 Kwm、。Kdp的变化范围更小，所以把CA称为电机常数。
上式即可写成
P, KE P N (KVA)
N cosN
对于同步调相机 P, K E PN (KVA)
直流电机
对于具有并励绕组的直流发电机
P, Kg PN (KW )
式中 Kg——考虑发电机的电枢压降和并励绕组电流而引入的系数
对具有并励绕组的直流电动机
P, Km PN /N (KW )
式中 Km——考虑发电机的电枢压降和并励绕组电流而引入的系数
重要结论：
(3)转速一定时，若直径不变而采用不同长 度，则可得到不同功率的电机。
(4)上式中，由于αp´ 、Kwm、。Kdp的变化 范围小，因此电机的主要尺寸在很大程度上 和选用的电磁负荷A、Bδ有关。电磁负荷选 得愈高，电机的尺寸就愈小。
不同型式电机的计算功率的计算
对于异步电机
P, KE P N (KVA)
(二)电磁设计
本阶段的任务是根据技术条件或技术任 务书(技术建议书)的规定，参照生产实践经 验通过计算和方案比较，来确定与所设计电 机电磁性能有关的一些尺寸和数据，选定有 关尺寸并核算其电磁性能。
(三)结构设计
结构设计的任务是确定电机的机械结构、零部 件尺寸、加工要求与材料包括必要的机械计算及通 风和温升计算。
一、电磁负荷对电机性能和经济性的影响
（一）线负荷A高，磁负荷B不变 （1）电机体积减小，节约材料 （2）B一定时，由于铁心重量减小，铁耗减小 （3）绕组用铜量增加 （4）增大电枢单位表面上铜耗，绕组温升增高
q AJ 电枢单位表面的铜(铝）耗为： a
绕组有效部分(即槽内部分)的铜(铝）耗为：
pcat
通常将沿电枢圆周单位长度上的总电流称为电负荷A，即
A 2mWI ( A / m)
D
考虑上述各关系式后可得交流电机主要尺寸关系式为
D2lef n P
6.1103
p
K
wm
K
dp
A
B
2）直流电机
直流电机计算功率为
P Ea Ia 103 (KW )
式中 Ea——电枢绕组的电势(V)； Ia——电枢绕组的电流(A)。
E W BSFe E WBS Fe
式中 B——磁路中铁内的磁密 SFe——磁路中铁的截面积
I JSC
式中 I——电流密度 Sc——导体的截面积。
P' WBSFe JSC BJSFeSCW SCW SCW 是所有线匝的总截面
面积SFe与ScW各与长度因次l的平方成正比，因此
SFeSCW l 2l 2 l 4
重要结论：
(2)电磁负荷A和Bδ不变时，相同功率的电 机，转速较高的，尺寸较小；尺寸相同的电 机，转速较高的，则功率较大。这表明提高 转速可减小电机的体积和质量。但这种关系 只在一定的转速范围内才正确。因转速增高 时，机械损耗增加。直流电机中，铁耗也将 增加，于是电磁负荷只好降低。转速增高还 会引起转动零部件所受的机械应力增加，达 也会导致这种反比关系的破坏。
按条件B和J一定，于是可得
P' l4
l P'1/ 4
又因有效材料的质量M与它们的体积成正比，也即和长度因次l的立方成正 比，而有效材料的成本Cef和损耗ΣP也与质量成正比，故有
M P'3/4
Cef M P'3/ 4
p M P'3/4
若将电机的质量、成本和损耗换算到单位功率，则得
M P'
CA
D 2le f P / n
60 D2lef
2T
计算转矩 T P /(2n / 60)
D l2 近似地表示转子有效部分的体积，定于有效部分的体积也和它有关。 ef
电机常数大体上反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料[铜(铝)和电 工钢]的体积，并在一定程度上反映了结构材料的耗用量。